基于相关法的坡面径流流速测量系统

坡面径流流速是土壤侵蚀研究中的一项重要参数,目前仍未有通用的径流流速测量仪,因此研究径流流速的有效测量方法具有重要的意义.该研究以相关测速理论为基础,在已有的研究基础上改进了光电传感器的硬件设计和试验平台,开发了一套坡面径流流速测量系统.试验研究了传感器与液面及两传感器之间距离对测量系统的影响,并进行了室内模拟坡面径流流速试验研究.结果表明,两传感器的间距为5 mm、液面距离为9 mm为最优试验参数,测量系统的泥沙含量适用范围为0～400 kg/m3、坡面的范围为0～25°,测量系统能够准确测定径流流速,最大相对误差为3.61%,为坡面径流流速的快速、准确测量提供了一种有效的方法.     

径流小区产流过程量水堰自动测量系统

坡面径流小区是水土保持和相关领域研究的重要手段,流量观测是径流小区观测的主要内容.该研究设计开发了一种适用于径流小区流量过程的自动观测系统,该系统集成了量水堰、水位计和泥沙传感器,并配套了数据自动采集、存储和传输设备.通过水槽试验,标定了量水堰流量系数,建立了针对量水堰结构设计的近似流量模型并获取了模犁参数;模型验证和参数标定试验的结果表明:三角堰的水位与流量之间有着非常好的相关性,简化流量模型可以用于计算流量,简化模型回归分析的决定系数为0.98.此外,该文分析讨论了泥沙含量对流量观测的影响,提出了净产水(扣除泥沙体积的产水量)的概念和估计方法.该含沙水流自动测量系统具有很好的可靠性和观测精度,在水土保持监测方面具有广阔的应用前景.     

流域土壤侵蚀测量系统研究

流域内降雨-径流-土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取是土壤侵蚀机理研究中的难点,它们的实时、准确测量将为侵蚀模拟-预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。针对这一问题,提出一套测量流域土壤侵蚀动态变化过程变量的自动化测量系统。该系统由四部分构成:量水堰和水位传感器实现径流流量的测量;薄层水流流速测量系统测量坡面流及其流域内沟道中水流速度;径流含沙量测量系统测量径流中的泥沙含量;数据采集控制以及存储系统,实现试验设计点处侵蚀量的动态变化过程测量及数据存储。这一系统的构建及应用必将推动侵蚀过程测量向着更自动化和可操作化方向发展。     

流域土壤侵蚀及径流过程自动测量系统研究

流域内降雨—径流—土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取将为侵蚀模拟—预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。本研究提出一套测量流域土壤侵蚀动态变化过程变量的自动化测量系统,系统中的量水堰和水位传感器用于测量径流流量,用薄层水流流速测量系统测量坡面流及流域沟道中的水流流速,用径流含沙量测量系统测量径流中的泥沙含量,数据采集控制及存储系统实现试验设计点处侵蚀量的动态变化过程测量及数据存储。这一系统的构建及应用必将推动侵蚀过程测量向着更加自动化和可操作化方向发展。     

LTW-1型径流泥沙含量与流量动态测量系统研究

简要地阐述了泥沙含量与流量动态测量系统的基本测量原理及其基本组成,包括了4个子系统:自动采样系统,自动测量系统,数据分析、输出及查询系统和操作控制系统。通过大量试验测试,结果表明该测量系统不仅能够达到一定的测量精度,而且还能够实时、在线、动态地测量室内或野外径流泥沙含量与流量,并实现数据便捷地传输、存取等功能。     

基于虚拟仪器技术的光电式坡面径流流速测量系统

在水土流失研究中，坡面径流流速是径流计算、土壤侵蚀预报中不可缺少的水动力参数。目前尚没有广泛应用的测量径流流速的仪器，该研究从两相流理论出发，基于相关流速测量理论，采用Lab VIEW虚拟仪器开发平台，研制了一套径流流速在线测量系统，包括红外光电传感器、信号调理电路、PCI-6040E数据采集卡以及使用Lab VIEW开发的相关测量软件等。采用室内模拟水槽试验，结果表明，该测量系统适用的泥沙含量范围为0～250 kg/m³，以染料示踪法测得流速作为标准值进行标定试验，系统最大相对误差为4.14%；基于相关流速理论所建立的虚拟仪器系统测量坡面径流流速是可行的。     

小流域土壤侵蚀及径流过程自动测量系统的实验应用

流域内降雨－径流－土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取是土壤侵蚀机理研究中的难点,其实时、准确测量为侵蚀模拟－预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。该文针对这一问题，将量水堰及水位传感器、薄层水流流速测量系统、γ射线泥沙含量测量仪有机组合，构成流域土壤侵蚀过程测量系统。将该系统测量仪器布设于室内小流域模型各沟道出口及沟道内典型点处，在降雨强度25 mm/h，降雨历时5 min条件下，系统测量的流域出口处流量及泥沙含量变化值与采用手工采样方法测量结果的决定系数R²分别为0.738，0.749，流速误差为8.7%，比较结果显示该系统具有较高的测量精度。在此测量精度范围内，同时测得各沟道口流量及泥沙含量动态变化过程及沟道中典型点处流速。流域内径流过程及径流含沙量的动态测量结果表明将该系统应用到土壤侵蚀动态过程的研究中是可行的。     

基于电导式传感器径流流速测量系统的试验研究

在土壤侵蚀和水土流失研究中，坡面径流流速是径流计算、土壤侵蚀预报中不可缺少的水动力参数，目前尚无广泛应用的径流流速测量仪，研究快速的径流流速测量具有重要意义。该文基于互相关理论，建立了基于虚拟仪器Lab VIEW的径流流速的测量系统，并采用自制的电导式传感器，研究了两传感器间距对测量系统的影响，测量了5个泥沙含量水平下的径流流速。结果表明：测量系统适用的泥沙含量范围为0～250 kg/m³，测量误差为4.5%；若以染料示踪法测量的流速作为标准值进行修正，修正后的测量误差为3.81%。     

坡面径流剪切力分布及其与土壤剥蚀率关系的试验研究

 径流剪切力是建立土壤侵蚀过程模型重要的水动力学参数,研究径流剪切力和土壤侵蚀产沙相关关系具有重要理论和实践意义。以径流冲刷模拟试验为研究手段,研究不同流量和不同坡度组合条件下坡面侵蚀过程中径流剪切力的分布特征,并对应分析土壤剥蚀率与各阶段径流临界剪切力的相关关系。结果表明:不同试验条件下,坡面侵蚀发育各阶段径流剪切力和土壤剥蚀率随冲刷流量的增加而增加,随小区坡度的变化受临界坡度影响;土壤剥蚀率与放水流量、坡度和径流剪切力等多因子呈线性相关,与流量或坡度的大小呈正比,与径流剪切力的大小呈反比;土壤剥蚀率与各径流剪切力单因子呈幂函数或指数函数相关,随径流剪切力的增加呈增加趋势;坡面产生跌坎时的临界剪切力和坡面径流平均剪切力均可以作为土壤侵蚀预测参数。     

放水冲刷对红壤坡面侵蚀过程及溶质迁移特征的影响研究

坡面薄层水流侵蚀不仅造成土壤养分流失,土壤质量恶化,同时对水体污染等环境问题造成一定影响。为了分析上方来水流量对红壤坡面径流侵蚀过程中泥沙的迁移规律及土壤溶质运移特征的影响,本试验利用室内放水冲刷试验,采用3个不同上方来水流量（10 L min-1、15 L min-1、20 L min-1）对第四纪黏土发育红壤坡面径流侵蚀过程中坡面径流泥沙和径流中非吸附性离子（Br-）迁移过程进行了研究。结果表明：不同上方来水条件下,放水初期产流量迅速增大,后期趋于稳定,累积径流量与产流时间成显著的线性关系,10 L min-1、15 L min-1、20 L min-1三种上方来水流量下累积径流量分别为263.2 L、295.1 L、291.04 L;上方来水流量越大,薄层径流冲刷作用越强烈,径流含沙量随时间变化波动越剧烈,累积泥沙量随产流时间呈幂函数变化,15 L min-1、20 L min-1流量下累积泥沙量分别为10 L min-1流量下累积泥沙量的1.42倍、4.25倍;径流Br-浓度随产流时间呈幂函数衰减,反映了土壤溶质随径流迁移量变化主要受水流与土壤接触时间和作用程度的影响。研究表明放水冲刷对土壤侵蚀及溶质运移有重要作用,试验结果对有效预测与控制红壤坡面侵蚀及养分流失具有重要实际意义。     

基于计时与光照法的坡面径流量及含沙量动态检测系统

针对坡面径流及泥沙含量传统测量方法存在精度不高且难以在坡面现场在线同步测量的问题,该文提出了一种基于计时法和光照法的径流量与含沙量测量方法,设计了坡面径流量及泥沙含量同步在线检测的自动检测系统。阐述了该系统中机械装置和电子测控的设计方案和工作原理,并设计了光照法测量含沙量的辅助试验系统。通过试验,发现影响含沙量测量精确度的主要因素为光源与光敏传感器之间的距离及溶液中泥沙分布均匀度,揭示了A/D转换值随含沙量变化而单调变化的规律。通过试验获得了溶液搅拌最佳电机转速为428 r/min,并运用最小二乘法和统计学理论对数据进行分析,确定了当该系统的光源和光敏传感器之间的距离为30 mm时,光照法测量含沙量的精确度最高。最后,将试验结果与理论计算值进行对比,结果表明除了浓度为1~3 kg/m3的溶液所测得的泥沙含量误差率较大外,其余溶度的误差率均小于1%,论证了光照法测量含沙量的可行性。该研究可为推进水土保持动态监测理论方法及技术提供参考。     

称重式坡面径流小区水流流量自动测量系统

坡面径流小区流量观测是坡地水土流失状况研究的重要内容。该文提出了一种新型的含沙水流流量自动观测方法和测量系统。通过受力分析和水力推导，得到了无含沙水流流量测定计算模型和含沙水流流量校正公式。模型验证和参数标定的试验结果表明：无含沙水流的拉力输出值和流量之间的关系与推导得到的水力学模型非常吻合，决定系数可以达到0.99。含沙水流流量通过校正可以得到精度很高的观测结果，与人工观测平均相对误差仅为0.4％。因此，该含沙水流自动测量系统具有很好的可靠性和观测精度，有一定的应用前景。     

径流泥沙实时自动监测仪的研制

针对径流泥沙过程监测仪缺乏和监测误差大的状况,研制了一种具有野外复杂条件下普遍适用的径流泥沙高精度实时自动监测仪,并建立了数据/站点管理云平台。该仪器从径流泥沙过程中提取驱动仪器运转的物理量并将其转换为测控信号,实现径流泥沙过程的实时自动监测;通过对仪器总体结构及各功能部件的优化设计,消减泥沙粘附和沉积,提高监测精度。通过标准泥沙样品验证了该仪器的适用性,结果表明该仪器监测的含沙量相对误差均值为3.67%,决定系数为0.997。土槽试验获取了径流过程中变幅较宽的径流量和含沙量的动态过程曲线。可见,该仪器不仅可以准确地监测径流泥沙过程,而且创新了水土流失监测技术和方法,推动了水土流失监测的自动化和信息化。     

开发建设中扰动地面新增水土流失研究

针对神府东胜煤田开采过程中所引发的严重新增水土流失问题,采用野外放水冲刷的试验研究方法,对神府东胜煤田扰动地面新增水土流失机理和流失量进行了初步研究。结果表明:在相同放水冲刷流量和坡度下,原始地面的平均土壤入渗率较扰动地面的增加30%;两种不同类型下垫面的径流量均随时间的增加而增加,冲刷的前6min,径流量均较小,且原始地面>扰动地面,在6min以后,径流量迅速增大,且原始地面<扰动地面,扰动地面的平均径流量较原始地面增加14%;原始地面的侵蚀产沙在整个放水冲刷过程中没有显著变化,基本维持在一个常数水平;扰动地面在放水冲刷0—15min的侵蚀产沙量较高,此后侵蚀产沙随冲刷历时的延长而下降并最终趋于稳定;扰动地面的平均含沙量较原始地面增加96%,平均产沙量增加89%;新增土壤流失量随放水流量和坡度的增大而增大,10°时,新增土壤流失量最大;同一坡度条件下,放水流量越小,土壤流失量增加的百分比就越大,反之则越小。     

坡面径流实时监测装置的测试与率定

径流小区观测技术是水土保持监测评价的基础.研发适用于径流小区尺度的径流观测装备可有效减少人工监测的随机性,降低监测人员的工作强度.通过人工模拟不同强度的产流汇水条件,对“径流泥沙含量实时测量装置”开展径流测量性能的专项测试,结果表明:该装置在测试环境条件下的径流测量相对误差范围为-4.33％～-24.01％,稳定时长范围为55 ～ 130 s.偏相关分析发现:测量稳定时长与径流的含沙量、流量分别呈显著正相关关系和显著负相关关系(P＜0.05);测量精度与含沙量和流量的相关系数均呈负相关关系,但含沙量和流量对测量精度的影响有限(α=0.05).通过回归分析,得到该装置径流量修正模型;经验证,该模型可使平均相对误差由修正前的11.53％降低至6.80％,平均测量数据稳定时间由修正前的96 s降低至80 s.研究分析提出,通过对上述设备增设波浪过滤消减装置、增大滤波管直径等措施可进一步降低测量误差,提高工作稳定性.基于上述测试结果,本研究认为通过利用修正模型,测试设备的径流测量效果在测试流量范围内较为理想,即该设备在降雨强度范围为3.60 ～ 66.96 mm/h的产流工作条件下较为适宜.     

伊犁河谷5种土壤管理措施减流减沙效果分析

伊犁河谷区域水力侵蚀等级中等偏强,分析土壤管理措施的减流减沙效果为土地资源的可持续利用和防治水土流失提供参考.本文采用野外人工模拟降雨试验,研究在10、20和36 mm/h 3种降雨强度条件下裸地、角果藜覆盖、木地肤覆盖、鱼鳞坑、水平沟等5种典型土壤管理措施的产流产沙过程,并分析比较不同土壤管理措施的减流减沙效果.结果表明:不同降雨强度下,裸地初始产流时间最短,水平沟未产流;降雨强度是影响产流产沙的关键因素之一,径流速率和含沙量随降雨强度的增大而增大;减流减沙效果由高到低的顺序为:水平沟＞木地肤覆盖＞鱼鳞坑＞角果藜覆盖＞裸地,木地肤覆盖、鱼鳞坑措施减沙效果明显.水平沟、木地肤覆盖措施减流减沙效果较好,可以在该区域防治水土流失中推广应用.